Надежное моделирование усталостной долговечности свинца

Dec 05, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2493 (2023) Цитировать эту статью

1458 доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Авторская поправка к этой статье опубликована 9 мая 2023 г.

Эта статья обновлена

Надежность материалов микроэлектронных межсоединений для электронных блоков оказывает существенное влияние на усталостные свойства электронных сборок. Это связано с корреляцией между надежностью паяных соединений и наиболее частыми видами отказов, наблюдаемыми в электронных устройствах. Благодаря своим превосходным механическим и усталостным свойствам сплавы SAC вытеснили сплавы со свинцовым припоем как один из наиболее часто используемых припоев, используемых в качестве межсоединений в электронных корпусах. Основная цель данного исследования — разработать модель прогнозирования усталостной долговечности паяных соединений в зависимости от условий эксперимента. Используя специально разработанную экспериментальную установку, проводится ускоренное испытание на усталостный сдвиг для проверки усталостной долговечности отдельных паяных соединений SAC305 в реальных условиях отверждения. В исследуемом испытательном автомобиле используются определенная обработка поверхности OSP и паяльная маска. Испытание на усталость включает три уровня амплитуды напряжения и четыре уровня температуры испытания. Двухпараметрическое распределение Вейбулла используется для анализа надежности усталостной долговечности паяных соединений. Для каждого цикла строят кривую растяжения-деформации для построения петли гистерезиса при каждой циклической нагрузке и температуре испытаний. Полученная петля гистерезиса используется для оценки неупругой работы за цикл и пластической деформации. Модели энергии Морроу и модели Гроба Мэнсона используются для описания влияния усталостных свойств на усталостную долговечность паяных соединений. Модель Аррениуса реализована для иллюстрации эволюции уравнений стрессовой жизни, Морроу и Гроба Мэнсона при различных температурах испытаний. Затем усталостная долговечность паяных соединений SAC305 прогнозируется с использованием общей модели надежности в зависимости от амплитуды напряжения и температуры испытаний.

Усталостная долговечность материалов межкомпонентных соединений микроэлектроники является важнейшим показателем надежности электронных узлов, поскольку единичный отказ в этих соединениях может привести к разрушению всей электронной системы или резкому снижению ее работоспособности. Паяные соединения и другие соединительные материалы в реальных условиях эксплуатации в основном подвержены различным типам термических и механических напряжений, таких как сдвиг, растяжение, ползучесть, механический и термический удар, а также усталостные напряжения1,2,3,4. Явление термоциклирования, которое обычно наблюдается в суровых условиях окружающей среды, является одним из основных источников комбинированных термических и механических напряжений. Усталостное напряжение сдвига, вызванное явлением термоциклирования, оказывает существенное влияние на усталостную долговечность паяных соединений. Несоответствие между коэффициентом теплового расширения (КТР) печатной платы (PCB), паяных соединений и электронного корпуса является основной причиной усталостного напряжения сдвига в паяных соединениях5,6. Напротив, паяные соединения подвергаются немедленному тепловому стрессу во время процесса термоциклирования. В результате применения повышенных температур эффект старения повлияет на характеристики паяных соединений. Старение является еще одним фактором, влияющим на снижение усталостного ресурса. Влияние старения на усталостную долговечность припоев сильно зависит от температуры и времени воздействия7,8,9.

В этом исследовании влияние процесса термоциклирования на электронные корпуса исследовалось с помощью ускоренного испытания на усталостный сдвиг, в котором рассматривались отдельные паяные соединения при различных температурах испытаний. В нескольких исследованиях изучались механические и усталостные свойства различных припоев. Басит и др. разработала новую методологию прогнозирования надежности сплавов SAC, проведя ускоренное термоциклическое испытание на срок службы предварительно состаренных материалов для микроэлектронных межсоединений и анализ методом конечных элементов. Рассеяние энергии за жизненный цикл и модель вязкопластики Ананда использовались для оценки усталостной долговечности паяных соединений SAC305 посредством испытания на термоциклирование. В их исследовании использовались четыре уровня температуры старения и три уровня времени старения. Процесс термоциклирования использовался после процесса старения электронных корпусов с температурой циклирования в диапазоне от – 40 до 125 °C. Было обнаружено влияние температуры и времени старения на модель Ананда. Модифицированная модель Ананда в сочетании с моделью конечных элементов использовалась для прогнозирования истории деформации и напряжения паяных соединений SAC305. Результаты моделирования были сопоставлены с анализом надежности Вейбулла для реальных экспериментальных данных для проверки нового подхода к прогнозированию10. Чен и др. изучили механическую и термическую надежность SAC305 и SAC-Sb с помощью термического анализа. В исследовании для анализа механического поведения рассматривались два разных уровня рабочей температуры и скорости деформации. Модель Ананда была использована для исследования усталостной термической стойкости исследованных припоев. Использование паяных соединений SAC-Sb привело к значительному снижению неупругой деформации. Более того, паяные соединения SAC-Sb продемонстрировали значительную усталостную стойкость в суровых условиях эксплуатации11. Термомеханический срок службы паяного соединения был исследован Цзяо и др. при воздействии электрического тока в условиях термоциклирования. Использовалась паяльная паста Sn3,8Ag–0,5Cu с двумя типами шариков припоя (бочонок и песочные часы) и различной плотностью тока. Анализ методом конечных элементов был проведен для моделирования влияния комбинированного термоциклирования и электрического тока на термомеханический срок службы. В указанных экспериментальных условиях паяное соединение типа «песочные часы» показало меньший усталостный срок службы по сравнению с паяным соединением бочкообразного типа12. Самаватян и др. исследовали влияние вибрации случайной частоты на усталостную долговечность паяных соединений. В исследовании в качестве тестового объекта использовалась решётка из шариков на трёх различных платах. Метод конечных элементов использовался для определения наилучшей конфигурации печатной платы с точки зрения усталостной долговечности. Влияние входной частоты измеряется путем применения спектральной плотности мощности ускорения, а отказы определяются на основе значения квадратичного напряжения отслаивания. По результатам конечно-элементного анализа, паяные соединения, расположенные в углах BGA, были более подвержены разрушению. Кроме того, по сравнению с другими конструкциями плат, конфигурация платы с радиатором в углах платы продемонстрировала высокие показатели сопротивления усталости13.